Звездите вътре и извън Стълбовете на Сътворението се разкриват в инфрачервения. Докато Хъбъл разширява погледа си до 1,6 микрона, повече от два пъти границата на видимата светлина, Джеймс Уеб ще излезе на 30 микрона: близо 20 пъти повече. Кредитна картина: НАСА, ЕКА и екипът за наследство на Хъбъл (STScI).

5 причини, поради които 21 век ще бъде най-добрият за астрофизиката

20 век има невероятен напредък в цялата наука. Но най-добрите дни на астрофизиката тепърва предстоят.

"Когато открием как се изгражда ядрото на атомите, ще открием най-голямата тайна от всички - освен живота." -Ернест Ръдърфорд

Това е било основна наука през вековете: арогантното мислене, че почти сме стигнали до крайните отговори на най-дълбоките си въпроси. Учените смятали, че механиката на Нютон описва всичко, докато не открият вълновата природа на светлината. Физиците смятаха, че сме почти там, когато Максуел обедини електромагнетизма, а след това и относителността и квантовата механика. И мнозина смятат, че природата на материята е пълна, когато открихме протона, неутрона и електрона, докато физиката на високоенергийните частици не разкри цяла Вселена от фундаментални частици. Само за последните 25 години пет невероятни открития промениха нашето разбиране за Вселената и всяко от тях спазва обещанието за още по-голяма революция. Никога не е имало по-добър момент да разгледаме най-дълбоките мистерии на съществуването.

Множество неутрино събития, реконструирани от отделни неутрино детектори (подобни на Super-Kamiokande, показани тук), показаха поява на свръхнова, преди да се появи какъвто и да е оптичен сигнал. Кредит за изображения: колаборация Super Kamiokande / Томаш Barszczak.

1.) Маса на неутрино. Когато започнахме да изчисляваме неутрино, което трябва да идва от Слънцето, стигнахме до число, базирано на сливането, което трябва да се случи вътре. Когато измервахме неутрино, идващи от Слънцето, видяхме само една трета от това, което очаквахме. Защо? Този отговор се появи едва наскоро, където комбинация от измервания на слънчеви и атмосферни неутрино разкри, че те могат да се колебаят от един тип в друг, поради факта, че имат маса!

Какво означава за астрофизиката: Неутрино са най-разпространените масивни частици във Вселената: около един милиард пъти по-многобройни от електроните. Ако имат маса, правят следното:

  • съставете част от тъмната материя,
  • попадат в галактически структури в късни времена,
  • вероятно образуват странно астрофизично състояние, известно като фермионен кондензат,
  • и може да има връзка с тъмната енергия.

Неутрино, ако имат маса, могат също да бъдат частици от майорана (вместо по-често срещаните частици от типа Дирак), което може да даде възможност за нов вид ядрен разпад. Те също могат да имат свръхтежки леви колеги, които биха обяснили тъмната материя. Неутрино също са отговорни за пренасянето на голяма част от енергията в свръхнови, отговарят за това как звездите на неутроните се охлаждат, влияят на остатъчния блясък на Големия взрив (CMB) и ще останат интересна и потенциално важна част от съвременната космология и астрофизика.

Четирите възможни съдби на Вселената, като най-добрият пример най-добре отговаря на данните: Вселена с тъмна енергия. Кредитна снимка: Е. Сийгъл.

2.) Ускоряващата се Вселена. Ако започнете Вселената в горещия Голям взрив, тя има две жизненоважни свойства: начална скорост на разширяване и начална плътност на материята / радиацията / енергията. Ако плътността беше твърде голяма, Вселената ще се припомни отново; ако беше твърде малка, Вселената щеше да се разшири завинаги. Но във нашата Вселена плътността и разширяването са не само перфектно балансирани, но и малко количество от тази енергия идва под формата на тъмна енергия, което означава, че нашата Вселена започва да се ускорява след около 8 милиарда години и продължава да го прави оттогава ,

Какво означава за астрофизиката: За първи път в човешката история всъщност имаме някакъв поглед върху съдбата на Вселената. Всички обекти, които не са свързани гравитационно заедно, в крайна сметка ще се ускорят далеч един от друг, което означава, че всичко извън нашата локална група в крайна сметка ще се ускори. Но каква е природата на тъмната енергия? Наистина ли е космологична константа? Свързано ли е с квантовия вакуум? Това поле, чиято сила се променя с течение на времето? Предстоящите мисии, като Euclid на ESA, спътникът на НАСА WFIRST и новите телескопи от 30-метров клас, идващи онлайн, ще измерват по-добре тъмната енергия и ще ни позволят да характеризираме как точно се ускорява Вселената. В края на краищата, ако ускорението се увеличи в силата, Вселената ще завърши в Голям разрив; ако тя намалее и се обърне, все пак можем да получим Голяма криза. Тук е заложена самата съдба на Вселената.

Тази снимка през 2010 г. на три от четирите известни екзопланети, обикалящи около HR 8799, представя за първи път телескоп, който този малък - по-малко от пълнорастящо човешко същество - е използван за директно изображение на екзопланета. Кредитно изображение: НАСА / JPL-Caltech / Обсерватория Паломар.

3.) Екзопланети. Преди едно поколение смятахме, че около други звездни системи има вероятни планети, но нямахме доказателства в подкрепа на това твърдение. В момента, благодарение до голяма степен на мисията на Kepler на НАСА, открихме и проверихме хиляди. Много слънчеви системи са различни от нашите: някои съдържат супер-Земни или мини-Нептуни; някои съдържат газови гиганти във вътрешните части на слънчевите системи; повечето от онези, които съдържат светове с размер на Земята на правилното разстояние, за течна вода орбита около малки, слаби, червени звезди джуджета, а не звезди като нашето Слънце. И все пак, има още много неща, които предстои да открием.

Какво означава за астрофизиката: За първи път открихме светове, които са потенциални кандидати за обитавани планети. Ние сме по-близо от всякога до откриването на признаци на извънземен живот във Вселената. И много от тези светове може някой ден да станат домове за човешки колонии, ако решим така да тръгнем по този път. 21 век ще започнем да изследваме тези възможности: да измерваме атмосферата на тези светове и да търсим знаци за живот, да изпращаме космически сонди до тях със значителна част от скоростта на светлината и да ги характеризираме по приликите си с Земята по отношение на океаните / континентите, облачната покривка, съдържанието на кислород в атмосферата и колко земите им "озеленяват" от лятото до зимата. Ако се интересувате от истината, която е там във Вселената, никога не е имало по-добър момент да сте живи.

Откриването на Хигс Босон в дифотонния (γγ) канал при CMS. Кредит за изображения: CERN / CMS сътрудничество.

4.) Хигс Босон. Откриването на частицата на Хигс в началото на 2010 г. завърши най-сетне Стандартния модел на елементарни частици. Бозонът на Хигс има маса от около 126 GeV / c2, разпада след около 10–24 секунди и има всички разложения, които Стандартният модел прогнозира, че трябва. В поведението на тази частица изобщо няма подписи на нова физика извън стандартния модел и това е голям проблем.

Какво означава за астрофизиката: Защо масата на Хигс е толкова по-малка от масата на Планк? Това е въпрос, който може да се изрази по различен начин: защо гравитационната сила е толкова по-слаба от всички останали сили? Има много възможни решения: свръхсиметрия, допълнителни измерения, фундаментални възбуждания (конформно решение), Хигс е съставна частица (technicolor) и т.н. Но засега всички тези решения нямат доказателства, които ги подкрепят, и момче, имаме ли погледна!

На някакво ниво трябва да има нещо фундаментално ново навън: нови частици, нови полета, нови сили и пр. Всичко това по своето естество ще има астрофизични и космологични последици и всички тези ефекти зависят от модела. Ако физиката на частиците, например, в LHC, не дава никакви нови улики, възможно е астрофизиката! Какво става при най-високите енергии и по най-късите разстояния от всички? Големият взрив - и също космическите лъчи - ни донесе по-високи енергии, отколкото всеки ускорен човек, създаден някога. Следващите улики за решаване на един от най-големите проблеми във физиката може да дойдат от космоса, а не от Земята.

Сливането на черни дупки е един клас обекти, който създава гравитационни вълни с определени честоти и амплитуди. Благодарение на детектори като LIGO можем да чуваме тези звуци, докато се появяват. Кредит за изображение: LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU).

5.) Гравитационни вълни. За 101 години това беше светият граал на астрофизиката: търсене на директни доказателства за най-голямото непроверено прогнозиране на Айнщайн. Когато Advanced LIGO влезе в интернет през 2015 г., той постигна чувствителността, необходима за откриване на вълничките от източниците на гравитационна вълна с най-малка честота и най-голяма величина във Вселената: вдъхновяващи и сливащи черни дупки. С две потвърдени открития под колана си (и още по пътя), Advanced LIGO премести гравитационната вълнова астрономия от възможност в добросъвестна наука.

Какво означава за астрофизиката: Цялата астрономия досега е била на светлинна основа, от гама лъчи до видима светлина чак до микровълнова и радиочестота. Но откриването на пулсации в космическото време е напълно нов начин за разглеждане на астрофизичните явления във Вселената. С правилните детектори с правилната чувствителност ще можем да видим:

  • сливания на неутронни звезди (и научете дали създават гама-изблици),
  • бели джуджета вдъхновения и сливания (и за да ги съпоставим със Supernovae от тип Ia),
  • свръхмасивни черни дупки, поглъщащи други маси,
  • гравитационни вълнови подписи на свръхнови,
  • пулсарни бъгове,
  • и, потенциално, оставената гравитационна вълнова подпис от раждането на Вселената.

Гравитационната вълнова астрономия е в начален стадий, но току-що се превърна в добросъвестна научна област. Следващите стъпки са да увеличим чувствителността и честотния обхват и да започнем да съпоставяме това, което виждаме в гравитационното небе с оптичното небе. Бъдещето е на път.

Масовото разпределение на клъстера Abell 370., реконструирано чрез гравитационно лещиране, показва два големи дифузни ореола на масата, съответстващи на тъмната материя с две сливащи се клъстери, за да създадат това, което виждаме тук. Кредитна картина: НАСА, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Швейцария), R. Massey (Университет Дърам, Обединеното кралство), екипът на Hubble SM4 ERO и ST-ECF.

Това дори не брои някои от другите страхотни пъзели, които са там. Има тъмна материя: фактът, че над 80% от масата във Вселената е напълно невидим както за светлината, така и за нормалната (атомната) материя. Има проблемът с бариогенезата: защо нашата Вселена е изпълнена с материя, а не антиматерия, въпреки че всяка реакция, която някога сме наблюдавали, е напълно симетрична между материя и антиматерия. Има парадокси, свързани с черните дупки; има мистерии и неизвестности около космическата инфлация; предстои да изградим успешна квантова теория за гравитацията.

Когато кривината в пространството и времето стане достатъчно голяма, квантовите ефекти също стават големи; достатъчно голям, за да обезсили нашите нормални подходи към проблемите на физиката. Кредитно изображение: Национална лаборатория за ускорители на SLAC.

Винаги има изкушение да мислим, че най-добрите ни дни са зад гърба ни и че най-важните и революционни открития вече са направени. Но ако искаме да разберем най-големите въпроси от всички - откъде идва нашата Вселена, от какво е направена наистина, как е станала, къде е тръгнала в далечното бъдеще, как ще свърши всичко - все още ни остава работа. , С безпрецедентните телескопи по размер, обхват и чувствителност, зададени да влязат в интернет, ние сме готови да научим повече, което сме знаели досега. Никога не е гаранция за победа, но всяка стъпка, която правим, ни доближава една крачка до нашата дестинация. Независимо къде се оказва това, пътуването продължава да спира дъха.

Starts With A Bang вече е на Forbes и е публикуван отново на Medium благодарение на нашите привърженици на Patreon. Итън е автор на две книги, „Отвъд галактиката“ и „Трекнология: Науката за звездното пътуване от трикрилите до Warp Drive!